黃銅閥激光焊熱裂紋的形成原因及改進措施

王艷，張麗，孟憲闊，趙鵬飛，吳世品

1.丹佛斯（天津）有限公司全球服務（中國）技術中心 天津 301700

2.天津大學材料科學與工程學院 天津 300072

1 序言

黃銅具有良好的耐蝕性，耐低溫，冷、熱加工性和力學性能等特點，廣泛應用于制造閥門、水管及空調內外機連接管等[1-2]。熱鍛黃銅閥在生產制造過程中，閥體和閥尾的連接常采用釬焊、惰性氣體保護焊和激光焊等方法[3-4]。而激光焊具有熱源集中、熱影響區(qū)小、變形小及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，因此在黃銅閥的焊接中具有廣闊的應用前景[2]。

然而，黃銅是銅-鋅合金（Cu-Zn），導熱系數(shù)高，線膨脹系數(shù)大，而且黃銅中的Zn在高溫時易蒸發(fā)。因此，在焊接過程中，黃銅焊接接頭易出現(xiàn)氣孔、難熔合和裂紋等缺陷[1，5]。其中，熱裂紋是黃銅閥激光焊過程中最為常見的缺陷[6]。熱裂紋的形成使黃銅閥發(fā)生泄漏，而且難以返修，導致黃銅閥在生產制造過程中的報廢率較高。本文針對黃銅閥激光焊焊縫產生的熱裂紋，分析了熱裂紋的形成原因和控制措施，對于生產制造過程中避免形成熱裂紋，提高產品合格率有重要的指導意義。

2 試驗方法

閥體材料為黃銅合金，采用直讀光譜儀（SPECTRO LAB LAVM10）測試的化學成分，見表1。黃銅閥體的焊接接頭形式為對接，采用激光焊自熔不填絲的方式焊接。焊接后，采用體式顯微鏡觀察焊接接頭，并標記裂紋位置。將帶裂紋的焊接接頭切割成兩部分，其中一部分裂紋沿縱向擴展方向打開，采用掃描電子顯微鏡觀察裂紋的宏觀和微觀斷口形貌。另一部分，垂直于焊縫截取帶裂紋的焊接接頭，經粗磨、精磨、拋光后，采用16g三氯化鐵+70mL鹽酸+220mL酒精溶液腐蝕，腐蝕4~5s。腐蝕后，試樣采用金相顯微鏡（Zeiss imager A1m）和掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 250）觀察裂紋位置、分布和形態(tài)，裂紋及金相組織的關系。

表1 黃銅化學成分（質量分數(shù)） （%）

3 裂紋形貌特征

黃銅閥焊接后，經檢查，在焊縫中心區(qū)域可見一道縱向裂紋，如圖1a所示。沿厚度方向將裂紋打開后，觀察宏觀斷口表面，可見明顯的高溫氧化色。采用掃描電子顯微鏡觀察裂紋斷口形貌，如圖1b、圖1c所示，斷口表面可見束狀平行排列的胞狀柱狀晶，具有明顯的方向性。裂紋為典型的沿晶開裂，沿成排的胞狀柱晶晶面開裂。裂紋表面平滑，排列整齊，無明顯形變痕跡，晶間可見斷裂時的液膜痕跡。從裂紋斷裂位置、斷口宏觀的高溫氧化色和斷口微觀形貌，初步推斷裂紋的類型為熱裂紋中的凝固裂紋。

為了進一步分析裂紋形態(tài)，垂直于焊縫截取裂紋剖面。從圖2a宏觀金相照片可以看出，裂紋從焊縫中心的表面開始，呈曲折狀延伸至焊縫內部。裂紋以單條主裂紋和多條二次裂紋混合的形式分布。觀察顯微組織和裂紋的關系發(fā)現(xiàn)，如圖2b、圖2c所示，裂紋大多起源于胞狀柱晶的匯合處，主裂紋和二次裂紋均沿α相胞狀柱晶晶界擴展。裂紋邊緣和裂紋尖端圓鈍，無塑性變形，呈明顯高溫凝固開裂特征。

圖1 裂紋位置和斷口形貌

圖2 黃銅焊縫熱裂紋形態(tài)

4 裂紋形成原因及改進措施

4.1 裂紋形成原因分析

結合裂紋的形態(tài)與斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，黃銅閥激光焊產生的熱裂紋主要與胞狀柱晶殘留的低熔點共晶液態(tài)金屬薄膜和焊接收縮產生的拉應力有關。當冷卻過程中，焊接收縮產生的拉應力超過低熔點共晶液態(tài)金屬薄膜的臨界強度時，即產生熱裂紋。

熱裂紋的敏感性與固-液兩相區(qū)的溫度區(qū)間密切相關。固-液兩相區(qū)溫度區(qū)間越大，熔池凝固時在此區(qū)間停留的時間越長，產生熱裂的傾向越大。黃銅閥為銅-鋅（Cu-Zn）合金，本身的含Zn量為38.7%，結合Cu-Zn合金二元相圖[7]（見圖3）可以看出，黃銅母材的固-液兩相區(qū)的溫度區(qū)間很小，不易產生熱裂紋。然而，黃銅中Zn的燃點420℃，沸點為906℃。在激光焊過程中，焊縫中的Zn會產生一定的揮發(fā)，造成焊縫含Zn量下降[1，8]。采用能譜儀EDS測試的焊縫含Zn量為33%~36%。隨著焊縫中Zn含量的下降，焊縫固-液兩相區(qū)（L+α）的溫度區(qū)間增大，從而為低熔點共晶液態(tài)金屬薄膜的形成提供了足夠的時間。

圖3 Cu-Zn二元相圖[7]

黃銅閥采用的黃銅含有約2%的Pb，Pb在黃銅中的溶解度＜0.3%，Pb與Cu易形成低熔點共晶組織，其共晶溫度僅為326℃。同時，黃銅合金在激光焊過程中，易生成氧化亞銅（Cu2O），它溶于液態(tài)銅而不溶于固態(tài)銅，凝固過程中易形成Cu2O+Cu的低熔點共晶[5，9]。此外，雜質元素向晶界偏析也會導致低熔點共晶的形成。由于黃銅焊縫固-液兩相區(qū)的溫度區(qū)間增大，這些低熔點共晶物極易形成低熔點共晶的液態(tài)薄膜，并聚集在晶間或晶界處。另一方面，黃銅焊縫在冷卻過程中受到閥體基體的拘束作用，在收縮過程中產生一定的拉應力。而且，黃銅的線膨脹系數(shù)較大，產生的拉應力相對較大。最終導致低熔點共晶的的液態(tài)薄膜在拉應力的作用下產生熱裂現(xiàn)象。

4.2 控制裂紋的措施

通過對黃銅閥激光焊焊縫熱裂紋形成原因的分析，從以下幾方面改進可以有效避免和降低熱裂紋的產生。

1）嚴格控制黃銅閥基體母材的雜質含量，如：S、P等；控制黃銅母材中Pb偏析現(xiàn)象，避免形成大量的低熔點共晶。

2）焊接前嚴格清理干凈，避免引入雜質元素，減少閥體表面的Cu2O進入焊縫熔池。

3）提高焊接速度，盡量采用小的熱輸入焊接，減少Zn在激光焊過程中的燒損，從而縮小黃銅焊縫固-液兩相區(qū)的溫度區(qū)間，降低熱裂紋敏感性。同時，可以避免焊縫形成粗大組織和嚴重的組織生長方向。

4）在閥體和閥尾焊接裝配時，應牢固固定，減小裝配間隙，從而降低焊縫金屬凝固過程中承受的收縮拉應力。

5 結束語

本文通過對黃銅閥激光焊焊縫的裂紋形態(tài)特征和形成原因的分析，為實際生產過程中判斷裂紋的類型，找尋裂紋形成的根本原因提供了依據(jù)。同時，根據(jù)熱裂紋的形成原因提出了相應的改進措施，有效避免了熱裂紋的形成，提高了黃銅閥激光焊的質量和合格率。

主要結論如下：

1）黃銅閥激光焊產生的熱裂紋為凝固裂紋，裂紋形成于焊縫中心，大多起源于胞狀柱晶的匯合處，沿胞狀柱晶晶面開裂，無明顯形變痕跡，晶間可見液膜痕跡。

2）黃銅中的Zn在激光焊過程中燒損嚴重，導致焊縫固-液兩相區(qū)（L+α）的溫度區(qū)間增大，熱裂傾向增加。

3）通過嚴格控制母材雜質元素含量、加強焊前清理、降低焊接熱輸入和控制裝配間隙可以預防熱裂紋的產生。